CN117052366B - 一种深部有机岩矿层原位开采及能量高效利用的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深部有机岩矿层原位开采及能量高效利用的方法，属于能源高效绿色开发技术领域；本发明将有机岩层分成若干条带，形成封存组合换热组，在对有机岩原位热解反应前先进行软化和压裂处理，之后通过原位热解反应进行油气开采，然后对换热组注入常温水进行取热并利用，对封存组进行二氧化碳封存；本发明方法可同时实现油气开采、取热利用以及二氧化碳封存，对深部有机岩矿层进行充分合理的开采利用，实现能量高效回收，解决了有机岩原位开采能量利用不充分的问题；本发明在所有地下能源原位开采领域均适用。
Description
技术领域
本发明属于能源高效绿色开发技术领域，涉及一种深部有机岩矿层原位开采及能量高效利用的方法。
背景技术
有机岩是我国重要的能源物质，并且储量丰富。有机岩开采方式主要分为原位开采和传统开采两大类。当有机岩赋存深度较大时，地应力条件复杂，井工开采安全隐患极高，只有原位开采才是现实可行的途径。原位开采相比于传统开采有废料堆积少、副产物少、水资源消耗小、环境污染小的优势。通过原位注热开采有机岩，之后充分抽提热解后矿层内部的热量，然后再利用大范围的采空区进行碳封存既保证了能源的高效利用和回收，同时也达到了生态环保的要求。但目前对有机岩的原位开采存在开采能量单一的问题，没有充分利用有机岩原位开采的优势，未能实现充分的能量开采利用。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提出一种深部有机岩矿层原位开采及能量高效利用的方法。以充分有效提高有机岩原位开采的能量利用。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
一种深部有机岩矿层原位开采及能量高效利用的方法，包括以下步骤：
1）将待开采的有机岩层划分为多个条带并编号，编号为奇数的条带作为封存组，编号为偶数的条带作为换热组；
2）在换热组的每个条带上均布置注入井和采出井；然后向换热组每个条带上的注入井通入超临界二氧化碳对有机岩层进行软化，然后通入高压水对有机岩层进行润湿压裂，重复软化和压裂的操作直至有机岩层被全部润湿压裂；
3）向换热组每个条带上的注入井通入超临界水和氧气进行原位气化开采有机岩反应并收集反应时产生的油气资源；当有机岩气化开采结束后，在换热组每个条带的有机岩层中埋入管道，并向换热组每个条带上的注入井注入换热充填材料，换热充填材料位于有机岩层中管道的外部；
4）在封存组的每个条带上均布置注入井和采出井；然后对封存组的每个条带进行所述的软化和润湿压裂直至有机岩层被全部润湿压裂；向封存组每个条带上的注入井通入超临界水和氧气进行原位气化开采有机岩反应并收集反应时产生的油气资源；
5）向换热组每个条带上的注入井通入常温水，常温水通过管道经过换热充填材料时吸收岩层中的热量并转变为高温水或者水蒸气；然后通过在换热组每个条带上的采出井采出并进行收集，收集得到的高温水引至取热装置被利用，收集得到的水蒸气引至汽轮机发电装置发电；汽轮机发电装置中液化的水再次通入换热组每个条带上的注入井进行换热；
6）向封存组每个条带上的注入井中通入二氧化碳进行封存；然后采用高压注浆的方式封堵封存组的全部注入井和采出井。
优选的，所述的超临界二氧化碳的注入压力为10-20Mpa，温度为35-70℃。
优选的，所述的高压水的压力为20-40Mpa。
优选的，重复软化和压裂的操作，监测采出井井底二氧化碳浓度，当采出井井底二氧化碳浓度迅速上升至10-15％时，停止操作，此时软化的部分有机岩被全部润湿压裂。
优选的，超临界水的温度为400-450℃，氧气的温度为800-850℃。
优选的，换热充填材料为水泥、细沙、水、膨润土的混合物。
优选的，换热组每个条带的采出井的井口布置有采出井井底温度监测装置来监测换热组每个条带的采出井底部位置的温度，当温度低于50℃时，停止换热工作。
优选的，换热组每个条带上的采出井连接有集气集液装置和油气收集装置；集气集液装置与汽轮机发电装置相连接，所述汽轮机发电装置的热水出口与员工宿舍和温棚的暖气管路相连接；封存组每个条带上的采出井连接有油气收集装置。
优选的，换热组和封存组的采出井的井口连接有CO2检测装置。
优选的，换热组每个条带上的注入井井口均连接有配气配液装置换热充填材料混合输出装置；封存组每个条带上的注入井井口均连接配气配液装置和高压注浆装置。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：
1、本发明在对有机岩原位热解反应前先向注入井注入少量超临界二氧化碳，然后注入适量高压常温水，交替重复操作，可以增加有机岩的压裂速率，缩短压裂时间。
2、本发明在对有机岩热解反应时采用气化开采的方式，并对反应后的有机岩层通过换热材料填充并埋管，可以提高开采效率，并为回收开采后残余的热量提供条件，同时避免上覆关键层破断的同时减少了充填成本。
3、利用常温水对原位热解反应后的热量进行重吸收，并将水转换为高温水或者水蒸气用于发电。
4、集气装置和水蒸气发电装置收集到的低于50℃液态水可以再次通入注入井中继续进行换热工作以及当换热工作结束后用于宿舍供暖、温棚控温等，可以节约水资源，减少热量损耗。
5、当换热工作结束后，可以将有机岩中开采后的剩余空间对二氧化碳进行封存。
附图说明
图1是条带开采流程图；
图2是条带开采结构的侧向剖视图；
图3是换热组条带开采压裂过程的主视图；
图4是换热组条带开采以及填充换热材料后的结构示意图；
图5是换热组条带换热过程的结构示意图；
图6是封存组条带开采热量采出过程的主视图；
图7是封存组条带注入二氧化碳进行封存的结构示意图。
图中，1-有机岩层、2-换热充填材料、3-管道、4-采出井、5-注入井、6-采空区、11-配气配液装置、12-换热充填材料混合输出装置、13-油气收集装置、14-CO2检测装置、15-采出井井底温度监测装置、16-集气集液装置、17-汽轮机发电装置、18-员工宿舍和温棚、19-高压注浆装置。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
实施例1
参见图1至图7，本实施例提出一种深部有机岩矿层原位开采及能量高效利用的方法，针对的待开采的有机岩层1的厚度在4m，埋深为800m。本实施例中，有机岩层1为油页岩矿层；其具体步骤如下：
（1）将有机岩层1分为五个开采条带区域，从第一条带至第五条带分别编号为、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。Ⅱ、Ⅳ为换热组，/>、Ⅲ、Ⅴ为封存组；在地面分别向Ⅱ、Ⅳ布置注入井5和采出井4，Ⅱ、Ⅳ布置的注入井5和采出井4均采用平行排列的方式。换热组每个条带上的注入井5井口均连接有用于提供超临界二氧化碳、超临界水、常温水、高压水以及高温氧气的配气配液装置11，以及用于提供换热充填材料2的换热充填材料混合输出装置12；封存组每个条带上的注入井5井口均连接有配气配液装置11和用于封存井口的高压注浆装置19。换热组每个条带上的采出井4均连接有集气集液装置16和油气收集装置13；集气集液装置16与汽轮机发电装置17相连接，所述汽轮机发电装置17的热水出口与员工宿舍和温棚18的暖气管路相连接。封存组每个条带上的采出井4连接有油气收集装置13。
（2）在Ⅱ、Ⅳ的注入井5中先通入10MPa、35℃超临界二氧化碳对部分有机岩进行软化，然后通入20MPa高压水对有机岩进行润湿压裂。Ⅱ、Ⅳ的采出井4的井口连接有CO2检测装置14，重复软化和压裂的操作，监测Ⅱ、Ⅳ的采出井4井底二氧化碳浓度。当采出井4井底二氧化碳浓度迅速上升至10％时，停止操作，此时软化的部分有机岩被全部润湿压裂。
（3）在Ⅱ、Ⅳ注入井中均通入400℃超临界水、800℃氧气进行原位气化开采有机岩反应并收集反应时产生的油气资源。当有机岩气化开采结束后，在有机岩层中埋入管道3，并向Ⅱ、Ⅳ的注入井5注入比例为20：15：25：10的水泥、细沙、水、膨润土混合物作为换热充填材料2，换热充填材料2位于有机岩层中管道3的外部。
（4）在地面布置、Ⅲ、Ⅴ中的注入井5和采出井4，同样，/>、Ⅲ、Ⅴ中的注入井5和采出井4均采用平行排列的方式。然后在/>、Ⅲ、Ⅴ的注入井5中重复步骤（2）中软化和压裂操作，之后在/>、Ⅲ、Ⅴ的注入井5中均通入400℃超临界水、800℃氧气进行原位气化开采有机岩反应并收集反应时产生的油气资源，开采之后的/>、Ⅲ、Ⅴ形成采空区6。
（5）在Ⅱ、Ⅳ的注入井5中通入常温水，水通过管道3经过换热充填材料2时会吸收岩层中的热量并转变为高温水或者水蒸气。然后通过在Ⅱ、Ⅳ的采出井4井口布置集气集液装置16和汽轮机发电装置17来收集水蒸气和发电。集气集液装置16和汽轮机发电装置17中液化的水可以通过管道再次通入Ⅱ、Ⅳ的注入井5继续进行换热工作，汽轮机发电装置17中收集到的液态水也可以通过管道引至员工宿舍和温棚18用于员工宿舍供暖以及温棚控温。Ⅱ、Ⅳ的采出井4井口布置有采出井井底温度监测装置15来监测Ⅱ、Ⅳ的采出井5底部位置的温度，当温度低于50℃时，停止换热工作。
（6）向、Ⅲ、Ⅴ的注入井5中通入二氧化碳，/>、Ⅲ、Ⅴ的采出井4的井口连接有CO2检测装置14，监测/>、Ⅲ、Ⅴ的采出井4中的二氧化碳浓度，当其浓度逐升高至10%时，停止通气。然后采用高压注浆的方式封住/>、Ⅲ、Ⅴ的全部注入井5和采出井4，注浆压力设置为25MPa，将二氧化碳封存在地底岩层中。
实施例2
参见图1至图7，本实施例提出一种深部有机岩矿层原位开采及能量高效利用的方法，针对的待开采的有机岩层1的厚度在8m，埋深为1500m。其具体步骤如下：
（1）将有机岩层1分为五个开采条带区域，从第一条带至第五条带分别编号为、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。在地面分别向Ⅱ、Ⅳ布置注入井5和采出井4，Ⅱ、Ⅳ布置的注入井5和采出井4均采用平行排列的方式。换热组每个条带上的注入井5井口均连接有用于提供超临界二氧化碳、超临界水、常温水、高压水、以及高温氧气的配气配液装置11，以及用于提供换热充填材料2的换热充填材料混合输出装置12；封存组每个条带上的注入井5井口均连接有配气配液装置11和用于封存井口的高压注浆装置19。换热组每个条带上的采出井4连接有集气集液装置16和油气收集装置13；集气集液装置16与汽轮机发电装置17相连接，所述汽轮机发电装置17的热水出口与员工宿舍和温棚18的暖气管路相连接。封存组每个条带上的采出井4连接有油气收集装置13。
（2）在Ⅱ、Ⅳ的注入井5中先通入18MPa、70℃超临界二氧化碳对部分有机岩进行软化，然后通入37.5MPa的高压水对有机岩进行润湿压裂。重复软化和压裂的操作，监测Ⅱ、Ⅳ的采出井4井底二氧化碳浓度，当采出井4井底二氧化碳浓度迅速上升至15％时，停止操作，此时软化的部分有机岩被全部润湿压裂。
（3）在Ⅱ、Ⅳ的注入井5中通入450℃超临界水、850℃氧气进行原位气化开采有机岩反应并收集反应时产生的油气资源。当有机岩气化开采结束后，在有机岩层中埋入管道3，并向Ⅱ、Ⅳ的注入井5注入比例为40：30：50：20的水泥、细沙、水、膨润土混合物作为换热充填材料2，换热充填材料2位于有机岩层中管道3的外部。
（4）在地面布置、Ⅲ、Ⅴ中的注入井5和采出井4，同样，/>、Ⅲ、Ⅴ中的注入井5和采出井4均采用平行排列的方式。然后在/>、Ⅲ、Ⅴ的注入井5中重复步骤（2）中软化和压裂操作，之后在/>、Ⅲ、Ⅴ的注入井5中均通入400℃超临界水、800℃氧气进行原位气化开采有机岩反应并收集反应时产生的油气资源。气化反应后会有大量的热量遗留在有机岩中，此时可以对其进行吸收重利用。
（5）在Ⅱ、Ⅳ的注入井5中通入常温水，水通过管道3经过换热充填材料2时会吸收岩层中的热量并转变为高温水或者水蒸气。然后通过在Ⅱ、Ⅳ的采出井4井口布置集气集液装置16和汽轮机发电装置17来收集水蒸气和发电。集气集液装置16和汽轮机发电装置17中液化的水可以通过管道再次通入Ⅱ、Ⅳ的注入井5继续进行换热工作，汽轮机发电装置17中收集到的液态水也可以通过管道引至员工宿舍和温棚18用于员工宿舍供暖以及温棚控温。Ⅱ、Ⅳ的采出井4井口布置有采出井井底温度监测装置15来监测Ⅱ、Ⅳ的采出井5底部位置的温度，当温度低于50℃时，停止换热工作。
（6）向、Ⅲ、Ⅴ的注入井5中通入二氧化碳，/>、Ⅲ、Ⅴ的采出井4的井口连接有CO2检测装置14，监测/>、Ⅲ、Ⅴ的采出井4中的二氧化碳浓度，当其浓度逐升高至10%时，停止通气。然后采用高压注浆的方式封住/>、Ⅲ、Ⅴ的全部注入井5和采出井4，注浆压力设置为45MPa，将二氧化碳封存在地底岩层中。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (7)
1.一种深部有机岩矿层原位开采及能量高效利用的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将待开采的有机岩层划分为多个条带并编号，编号为奇数的条带作为封存组，编号为偶数的条带作为换热组；
2）在换热组的每个条带上均布置注入井（5）和采出井（4）；然后向换热组每个条带上的注入井（5）通入超临界二氧化碳对有机岩层进行软化，然后通入高压水对有机岩层进行润湿压裂，重复软化和压裂的操作直至有机岩层被全部润湿压裂；所述的超临界二氧化碳的注入压力为10-20Mpa，温度为35-70℃；所述的高压水的压力为20-40Mpa；重复软化和压裂的操作中监测采出井（4）井底二氧化碳浓度，当采出井（4）井底二氧化碳浓度迅速上升至10-15％时，停止操作，此时软化的部分有机岩被全部润湿压裂；
3）向换热组每个条带上的注入井（5）通入超临界水和氧气进行原位气化开采有机岩反应并收集反应时产生的油气资源；当有机岩气化开采结束后，在换热组每个条带的有机岩层中埋入管道（3），并向换热组每个条带上的注入井（5）注入换热充填材料（2），换热充填材料（2）位于有机岩层中管道（3）的外部；
4）在封存组的每个条带上均布置注入井（5）和采出井（4）；然后对封存组的每个条带进行所述的软化和润湿压裂直至有机岩层被全部润湿压裂；向封存组每个条带上的注入井（5）通入超临界水和氧气进行原位气化开采有机岩反应并收集反应时产生的油气资源；
5）向换热组每个条带上的注入井（5）通入常温水，常温水通过管道（3）经过换热充填材料（2）时吸收岩层中的热量并转变为高温水或者水蒸气；然后通过在换热组每个条带上的采出井（4）采出并进行收集，收集得到的高温水引至取热装置被利用，收集得到的水蒸气引至汽轮机发电装置（17）发电；汽轮机发电装置（17）中液化的水再次通入换热组每个条带上的注入井（5）进行换热；
6）向封存组每个条带上的注入井（5）中通入二氧化碳进行封存；然后采用高压注浆的方式封堵封存组的全部注入井（5）和采出井（4）。
2.根据权利要求1所述的一种深部有机岩矿层原位开采及能量高效利用的方法，其特征在于，超临界水的温度为400-450℃，氧气的温度为800-850℃。
3.根据权利要求1所述的一种深部有机岩矿层原位开采及能量高效利用的方法，其特征在于，换热充填材料（2）为水泥、细沙、水、膨润土的混合物。
4.根据权利要求1所述的一种深部有机岩矿层原位开采及能量高效利用的方法，其特征在于，换热组每个条带的采出井（4）的井口布置有采出井井底温度监测装置（15）来监测换热组每个条带的采出井（4）底部位置的温度，当温度低于50℃时，停止换热工作。
5.根据权利要求1所述的一种深部有机岩矿层原位开采及能量高效利用的方法，其特征在于，换热组每个条带上的采出井（4）连接有集气集液装置（16）和油气收集装置（13）；集气集液装置（16）与汽轮机发电装置（17）相连接，所述汽轮机发电装置（17）的热水出口与员工宿舍和温棚（18）的暖气管路相连接；封存组每个条带上的采出井（4）均连接有油气收集装置（13）。
6.根据权利要求1所述的一种深部有机岩矿层原位开采及能量高效利用的方法，其特征在于，换热组和封存组的采出井（4）的井口连接有CO2检测装置（14）。
7.根据权利要求1所述的一种深部有机岩矿层原位开采及能量高效利用的方法，其特征在于，换热组每个条带上的注入井（5）井口均连接有配气配液装置（11）和换热充填材料混合输出装置（12）；封存组每个条带上的注入井（5）井口均连接有配气配液装置（11）和高压注浆装置（19）。
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